एक्स-रे लेजर का कार्य सिद्धांत क्या है? पीढ़ी के माध्यम में उच्च लाभ के कारण, छोटे ऊपरी राज्य जीवनकाल (1-100 पीएस), और दर्पणों के निर्माण से जुड़ी समस्याएं जो बीम को प्रतिबिंबित कर सकती हैं, ये लेजर आमतौर पर दर्पण के बिना काम करते हैं। एक्स-रे बीम एक एकल पास द्वारा लाभ माध्यम से उत्पन्न होता है। प्रवर्धित स्वतःस्फूर्त बीम पर आधारित उत्सर्जित विकिरण में अपेक्षाकृत कम स्थानिक सुसंगतता होती है। लेख को अंत तक पढ़ें और आप समझ जाएंगे कि यह एक एक्स-रे लेजर है। यह उपकरण अपनी संरचना में बहुत ही व्यावहारिक और अद्वितीय है।
तंत्र संरचना में गुठली
चूंकि दृश्य और इलेक्ट्रॉनिक या कंपन अवस्थाओं के बीच पारंपरिक लेज़र संक्रमण 10 eV तक की ऊर्जा के अनुरूप होते हैं, इसलिए एक्स-रे लेज़रों के लिए विभिन्न सक्रिय मीडिया की आवश्यकता होती है। इसके लिए पुनः विभिन्न सक्रिय आवेशित नाभिकों का उपयोग किया जा सकता है।
हथियार
एक्सकैलिबर प्रोजेक्ट में 1978 और 1988 के बीचअमेरिकी सेना ने स्टार वार्स स्ट्रैटेजिक डिफेंस इनिशिएटिव (एसडीआई) के हिस्से के रूप में मिसाइल रक्षा के लिए एक परमाणु विस्फोटक एक्स-रे लेजर विकसित करने का प्रयास किया। हालाँकि, यह परियोजना बहुत महंगी निकली, खींची गई, और अंततः स्थगित कर दी गई।
लेजर के अंदर प्लाज्मा मीडिया
सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले मीडिया में एक केशिका निर्वहन में निर्मित अत्यधिक आयनित प्लाज्मा शामिल होता है या जब एक रैखिक रूप से केंद्रित ऑप्टिकल पल्स एक ठोस लक्ष्य को हिट करता है। साहा आयनीकरण समीकरण के अनुसार, सबसे स्थिर इलेक्ट्रॉन विन्यास नियॉन हैं, जिनमें 10 इलेक्ट्रॉन शेष हैं, और निकल जैसे, 28 इलेक्ट्रॉनों के साथ। अत्यधिक आयनित प्लाज़्मा में इलेक्ट्रॉन संक्रमण आमतौर पर सैकड़ों इलेक्ट्रॉन वोल्ट (ईवी) के क्रम में ऊर्जा के अनुरूप होते हैं।
एक वैकल्पिक एम्प्लीफाइंग माध्यम एक एक्स-रे मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर का सापेक्षतावादी इलेक्ट्रॉन बीम है, जो मानक विकिरण के बजाय उत्तेजित कॉम्पटन स्कैटरिंग का उपयोग करता है।
आवेदन
सुसंगत एक्स-रे अनुप्रयोगों में सुसंगत विवर्तन इमेजिंग, घने प्लाज्मा (दृश्यमान विकिरण के लिए अपारदर्शी), एक्स-रे माइक्रोस्कोपी, चरण-समाधान चिकित्सा इमेजिंग, सामग्री सतह परीक्षा और हथियारकरण शामिल हैं।
लेजर के हल्के संस्करण का उपयोग एब्लेटिव लेजर मूवमेंट के लिए किया जा सकता है।
एक्स-रे लेजर: यह कैसे काम करता है
लेजर कैसे काम करते हैं? इस तथ्य के कारण कि फोटॉनएक निश्चित ऊर्जा के साथ एक परमाणु को हिट करता है, तो आप उस ऊर्जा के साथ परमाणु को एक फोटॉन उत्सर्जित कर सकते हैं जिसे उत्तेजित उत्सर्जन कहा जाता है। इस प्रक्रिया को बड़े पैमाने पर दोहराने से, आपको एक चेन रिएक्शन मिलेगा जिसके परिणामस्वरूप एक लेज़र होता है। हालांकि, कुछ क्वांटम नॉट इस प्रक्रिया को रोक देते हैं, क्योंकि एक फोटॉन कभी-कभी बिना उत्सर्जित हुए ही अवशोषित हो जाता है। लेकिन अधिकतम संभावना सुनिश्चित करने के लिए, फोटॉन ऊर्जा के स्तर में वृद्धि हुई है और बिखरे हुए फोटॉनों को वापस खेलने में मदद करने के लिए दर्पण को प्रकाश पथ के समानांतर रखा गया है। और एक्स-रे की उच्च ऊर्जा पर, विशेष भौतिक नियम पाए जाते हैं जो इस विशेष घटना में निहित हैं।
इतिहास
1970 के दशक की शुरुआत में, एक्स-रे लेजर पहुंच से बाहर लग रहा था, क्योंकि दिन के अधिकांश लेजर 110 एनएम पर पहुंच गए थे, जो कि सबसे बड़े एक्स-रे से काफी नीचे थे। ऐसा इसलिए था क्योंकि उत्तेजित सामग्री का उत्पादन करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा इतनी अधिक थी कि इसे एक तेज नाड़ी में पहुंचाना पड़ा, और एक शक्तिशाली लेजर बनाने के लिए आवश्यक परावर्तन को और जटिल कर दिया। इसलिए, वैज्ञानिकों ने प्लाज्मा को देखा, क्योंकि यह एक अच्छे संवाहक माध्यम की तरह लग रहा था। 1972 में वैज्ञानिकों की एक टीम ने दावा किया कि उन्होंने लेजर के निर्माण में प्लाज्मा के उपयोग को अंततः हासिल कर लिया है, लेकिन जब उन्होंने अपने पिछले परिणामों को पुन: पेश करने की कोशिश की, तो वे किसी कारण से विफल हो गए।
1980 के दशक में दुनिया का एक बड़ा खिलाड़ी रिसर्च टीम में शामिल हुआ थाविज्ञान - लिवरमोर। इस बीच, वैज्ञानिक वर्षों से छोटे लेकिन महत्वपूर्ण कदम उठा रहे हैं, लेकिन जब डिफेंस एडवांस्ड रिसर्च प्रोजेक्ट्स एजेंसी (DARPA) ने एक्स-रे अनुसंधान के लिए भुगतान करना बंद कर दिया, तो लिवरमोर वैज्ञानिक टीम के नेता बन गए। उन्होंने कई प्रकार के लेज़रों के विकास का नेतृत्व किया, जिनमें फ़्यूज़न पर आधारित भी शामिल हैं। उनका परमाणु हथियार कार्यक्रम आशाजनक था, क्योंकि इस कार्यक्रम के दौरान वैज्ञानिकों ने जो उच्च ऊर्जा संकेतक हासिल किए थे, वे एक उच्च गुणवत्ता वाले स्पंदित तंत्र बनाने की संभावना पर संकेत करते थे जो एक्स-रे मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर के निर्माण में उपयोगी होगा।
प्रोजेक्ट धीरे-धीरे पूरा होने के करीब पहुंच रहा था। वैज्ञानिक जॉर्ज चैपलिन और लोवेल वुड ने पहली बार 1970 के दशक में एक्स-रे लेजर के लिए फ्यूजन तकनीक की खोज की और फिर एक परमाणु विकल्प पर स्विच किया। उन्होंने मिलकर ऐसा तंत्र विकसित किया और 13 सितंबर, 1978 को परीक्षण के लिए तैयार थे, लेकिन उपकरण की विफलता ने इसे छोटा कर दिया। लेकिन शायद यह अच्छे के लिए था। पीटर हेगेलस्टीन ने पिछले तंत्र का अध्ययन करने के बाद एक अलग दृष्टिकोण बनाया, और 14 नवंबर, 1980 को दो प्रयोगों ने साबित कर दिया कि प्रोटोटाइप एक्स-रे लेजर ने काम किया।
स्टार वार्स प्रोजेक्ट
बहुत जल्द, अमेरिकी रक्षा विभाग इस परियोजना में दिलचस्पी लेने लगा। हां, एक केंद्रित बीम में परमाणु हथियार की शक्ति का उपयोग करना बहुत खतरनाक है, लेकिन उस शक्ति का उपयोग हवा में अंतरमहाद्वीपीय बैलिस्टिक मिसाइलों (आईसीबीएम) को नष्ट करने के लिए किया जा सकता है। निकट-पृथ्वी पर एक समान तंत्र का उपयोग करना सबसे सुविधाजनक होगाकी परिक्रमा। स्टार वार्स नाम के इस कार्यक्रम को पूरी दुनिया जानती है। हालांकि, एक्स-रे लेजर को हथियार के रूप में इस्तेमाल करने की परियोजना कभी सफल नहीं हुई।
एविएशन वीक और स्पेस इंजीनियरिंग के फरवरी 23, 1981 के अंक में परियोजना के पहले परीक्षणों के परिणामों की रिपोर्ट दी गई है, जिसमें एक लेज़र बीम भी शामिल है जो 1.4 नैनोमीटर तक पहुंच गया और 50 अलग-अलग लक्ष्यों को हिट कर दिया।
26 मार्च, 1983 के टेस्ट में सेंसर फेल होने के कारण कुछ नहीं मिला। हालाँकि, 16 दिसंबर, 1983 को निम्नलिखित परीक्षणों ने इसकी वास्तविक क्षमताओं का प्रदर्शन किया।
परियोजना का आगे भाग्य
हैगलस्टीन ने एक दो-चरणीय प्रक्रिया की कल्पना की जिसमें एक लेज़र एक प्लाज़्मा बनाएगा जो आवेशित फोटॉनों को छोड़ेगा जो किसी अन्य सामग्री में इलेक्ट्रॉनों से टकराएगा और एक्स-रे उत्सर्जित करेगा। कई सेटअपों की कोशिश की गई, लेकिन अंत में आयन हेरफेर सबसे अच्छा समाधान साबित हुआ। प्लाज्मा ने इलेक्ट्रॉनों को तब तक हटा दिया जब तक कि केवल 10 आंतरिक शेष नहीं रह गए, जहां फोटॉन ने उन्हें 3p राज्य तक चार्ज किया, इस प्रकार "नरम" बीम जारी किया। 13 जुलाई 1984 को एक प्रयोग ने साबित कर दिया कि यह सिद्धांत से कहीं अधिक था जब एक स्पेक्ट्रोमीटर ने 20.6 और 20.9 नैनोमीटर सेलेनियम (एक नियॉन जैसा आयन) पर मजबूत उत्सर्जन को मापा। फिर नोवेट नाम की पहली प्रयोगशाला (सैन्य नहीं) एक्स-रे लेजर दिखाई दी।
नोवेट का भाग्य
इस लेज़र को जिम डन द्वारा डिज़ाइन किया गया था और इसके भौतिक पहलू अल ओस्टरहेल्ड और स्लावा श्लाप्टसेव द्वारा सत्यापित थे। तेजी से उपयोग करना(नैनोसेकंड के पास) उच्च-ऊर्जा प्रकाश की पल्स जिसने कणों को एक्स-रे छोड़ने के लिए चार्ज किया, नोवेट ने ग्लास एम्पलीफायरों का भी उपयोग किया, जो दक्षता में सुधार करते हैं, लेकिन जल्दी से गर्म भी होते हैं, जिसका अर्थ है कि यह केवल कोल्डाउन के बीच दिन में 6 बार चल सकता है। लेकिन कुछ काम से पता चला है कि यह एक पिकोसेकंड पल्स को आग लगा सकता है जबकि संपीड़न नैनोसेकंड पल्स पर वापस आ जाता है। अन्यथा, ग्लास एम्पलीफायर नष्ट हो जाएगा। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि नोवेट और अन्य "डेस्कटॉप" एक्स-रे लेजर "नरम" एक्स-रे बीम का उत्पादन करते हैं, जिसमें लंबी तरंग दैर्ध्य होती है, जो बीम को कई सामग्रियों से गुजरने से रोकती है, लेकिन मिश्र धातु और प्लाज्मा में अंतर्दृष्टि देती है, क्योंकि यह उनके माध्यम से आसानी से चमकता है।
ऑपरेशन के अन्य उपयोग और विशेषताएं
तो इस लेजर का उपयोग किस लिए किया जा सकता है? यह पहले उल्लेख किया गया है कि एक छोटी तरंग दैर्ध्य कुछ सामग्रियों की जांच करना आसान बना सकती है, लेकिन यह एकमात्र आवेदन नहीं है। जब कोई लक्ष्य किसी आवेग से टकराता है, तो वह बस परमाणु कणों में नष्ट हो जाता है, और साथ ही तापमान एक सेकंड के खरबवें हिस्से में लाखों डिग्री तक पहुंच जाता है। और अगर यह तापमान पर्याप्त है, तो लेजर इलेक्ट्रॉनों को अंदर से छील देगा। ऐसा इसलिए है क्योंकि इलेक्ट्रॉन ऑर्बिटल्स का निम्नतम स्तर कम से कम दो इलेक्ट्रॉनों की उपस्थिति को दर्शाता है, जो एक्स-रे द्वारा उत्पन्न ऊर्जा से बाहर निकलते हैं।
एक परमाणु को होने में लगने वाला समयअपने सभी इलेक्ट्रॉनों को खो दिया है, कुछ फेमटोसेकंड के क्रम में है। परिणामी कोर "गर्म घने पदार्थ" के रूप में जाना जाने वाला प्लाज्मा राज्य में लंबे और तेजी से संक्रमण के लिए नहीं रुकता है, जो ज्यादातर परमाणु रिएक्टरों और बड़े ग्रहों के कोर में पाया जाता है। लेजर के साथ प्रयोग करके हम दोनों प्रक्रियाओं का अंदाजा लगा सकते हैं, जो परमाणु संलयन के विभिन्न रूप हैं।
एक्स-रे लेजर का उपयोग वास्तव में सार्वभौमिक है। इन एक्स-रे की एक अन्य उपयोगी विशेषता सिंक्रोट्रॉन या त्वरक के पूरे पथ के साथ गति करने वाले कणों के साथ उनका उपयोग है। इस पथ को बनाने में कितनी ऊर्जा लगती है, इसके आधार पर कण विकिरण उत्सर्जित कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, उत्तेजित होने पर इलेक्ट्रॉन एक्स-रे उत्सर्जित करते हैं, जिसमें एक परमाणु के आकार के बारे में तरंग दैर्ध्य होता है। तब हम एक्स-रे के साथ बातचीत के माध्यम से इन परमाणुओं के गुणों का अध्ययन कर सकते थे। इसके अलावा, हम इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा को बदल सकते हैं और एक्स-रे के विभिन्न तरंग दैर्ध्य प्राप्त कर सकते हैं, विश्लेषण की अधिक गहराई प्राप्त कर सकते हैं।
हालांकि, अपने हाथों से एक्स-रे लेजर बनाना बहुत मुश्किल है। अनुभवी भौतिकविदों की दृष्टि से भी इसकी संरचना अत्यंत जटिल है।
जीव विज्ञान में
यहां तक कि जीवविज्ञानी भी एक्स-रे लेजर (परमाणु पंप) से लाभ उठाने में सफल रहे हैं। उनका विकिरण प्रकाश संश्लेषण के उन पहलुओं को प्रकट करने में मदद कर सकता है जो पहले विज्ञान के लिए अज्ञात थे। वे पौधों की पत्तियों में सूक्ष्म परिवर्तनों को पकड़ लेते हैं। नरम एक्स-रे लेजर बीम की लंबी तरंग दैर्ध्य आपको सब कुछ नष्ट किए बिना अन्वेषण करने की अनुमति देती हैपौधे के अंदर होता है। नैनोक्रिस्टल इंजेक्टर फोटोकेल I को ट्रिगर करता है, इसे सक्रिय करने के लिए आवश्यक प्रकाश संश्लेषण की प्रोटीन कुंजी। इसे एक्स-रे के लेज़र बीम द्वारा इंटरसेप्ट किया जाता है, जिससे क्रिस्टल सचमुच फट जाता है।
यदि उपरोक्त प्रयोग सफल होते रहे, तो लोग प्रकृति के रहस्यों को जानने में सक्षम होंगे, और कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण एक वास्तविकता बन सकता है। यह आने वाले कई वर्षों के लिए वैज्ञानिक परियोजनाओं के उद्भव को भड़काते हुए सौर ऊर्जा के अधिक कुशल उपयोग की संभावना पर भी सवाल उठाएगा।
चुंबक
इलेक्ट्रॉनिक चुंबक के बारे में क्या? वैज्ञानिकों ने पाया कि जब उनके पास क्सीनन परमाणु और आयोडीन-सीमित अणु एक उच्च-शक्ति वाले एक्स-रे से टकराते थे, तो परमाणुओं ने अपने आंतरिक इलेक्ट्रॉनों को फेंक दिया, जिससे नाभिक और सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉनों के बीच एक शून्य पैदा हो गया। आकर्षक बल इन इलेक्ट्रॉनों को गति में स्थापित करते हैं। आम तौर पर ऐसा नहीं होना चाहिए, लेकिन इलेक्ट्रॉनों के अचानक गिरने के कारण, परमाणु स्तर पर अत्यधिक "आवेशित" स्थिति उत्पन्न हो जाती है। वैज्ञानिकों का मानना है कि लेजर का इस्तेमाल इमेज प्रोसेसिंग में किया जा सकता है।
विशालकाय एक्स-रे लेजर एक्सफेल
यूएस नेशनल एक्सेलेरेटर लेबोरेटरी में होस्ट किया गया, विशेष रूप से लिनैक में, यह 3,500-फुट लेजर हार्ड एक्स-रे के साथ लक्ष्य को हिट करने के लिए कई सरल उपकरणों का उपयोग करता है। यहाँ सबसे शक्तिशाली लेज़रों में से एक के कुछ घटक दिए गए हैं (संक्षिप्त रूप और एंग्लिसिज़्म तंत्र के घटकों के लिए खड़े हैं):
- ड्राइव लेज़र - बनाता हैएक पराबैंगनी नाड़ी जो कैथोड से इलेक्ट्रॉनों को हटाती है। विद्युत क्षेत्र में हेरफेर करके 12 अरब eW के ऊर्जा स्तर तक इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करता है। आंदोलन के अंदर एक एस-आकार का त्वरक भी होता है जिसे बंच कंप्रेसर कहा जाता है 1.
- बंच कंप्रेसर 2 - बंच 1 के समान अवधारणा लेकिन लंबी एस-आकार की संरचना, उच्च ऊर्जा के कारण बढ़ी।
- परिवहन हॉल - आपको यह सुनिश्चित करने की अनुमति देता है कि इलेक्ट्रॉन चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके दालों को केंद्रित करने के लिए उपयुक्त हैं।
- अंडरुलेटर हॉल - मैग्नेट से मिलकर बनता है जो इलेक्ट्रॉनों को आगे-पीछे करने का कारण बनता है, जिससे उच्च-ऊर्जा एक्स-रे उत्पन्न होते हैं।
- बीम डंप एक चुंबक है जो इलेक्ट्रॉनों को हटा देता है लेकिन एक्स-रे को बिना हिले-डुलने देता है।
- एलसीएलएस प्रायोगिक स्टेशन एक विशेष कक्ष है जिसमें लेजर लगा होता है और जो इससे संबंधित प्रयोगों के लिए मुख्य स्थान होता है। इस उपकरण द्वारा उत्पन्न बीम प्रति सेकंड 120 पल्स बनाते हैं, प्रत्येक पल्स एक सेकंड के 1/10000000000 तक चलती है।
- केशिका प्लाज्मा-निर्वहन माध्यम। इस सेटअप में, एक केशिका कई सेंटीमीटर लंबी, एक स्थिर सामग्री (जैसे एल्यूमिना) से बनी होती है, जो कम दबाव वाली गैस में एक उच्च-सटीक, उप-माइक्रोसेकंड विद्युत पल्स को सीमित करती है। लोरेंत्ज़ बल प्लाज्मा डिस्चार्ज के और अधिक संपीड़न का कारण बनता है। इसके अलावा, एक पूर्व-आयनीकरण विद्युत या ऑप्टिकल पल्स का उपयोग अक्सर किया जाता है। एक उदाहरण केशिका नियॉन जैसा Ar8 + लेजर है (जो 47. पर विकिरण उत्पन्न करता है)एनएम)
- एक ठोस स्लैब का लक्ष्य माध्यम - एक ऑप्टिकल पल्स की चपेट में आने के बाद, लक्ष्य अत्यधिक उत्तेजित प्लाज्मा का उत्सर्जन करता है। फिर, प्लाज्मा बनाने के लिए अक्सर एक लंबी "प्रीपल्स" का उपयोग किया जाता है, और प्लाज्मा को और अधिक गर्म करने के लिए दूसरी, छोटी और अधिक ऊर्जावान नाड़ी का उपयोग किया जाता है। छोटे जीवनकाल के लिए, एक गति बदलाव की आवश्यकता हो सकती है। प्लाज्मा का अपवर्तनांक ढाल प्रवर्धित नाड़ी को लक्ष्य सतह से दूर मोड़ने का कारण बनता है, क्योंकि प्रतिध्वनि से ऊपर आवृत्तियों पर पदार्थ के घनत्व के साथ अपवर्तनांक कम हो जाता है। यूरोपीय एक्स-रे मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर के रूप में, बर्स्ट में कई लक्ष्यों का उपयोग करके इसकी भरपाई की जा सकती है।
- एक ऑप्टिकल क्षेत्र द्वारा उत्तेजित प्लाज्मा - ऑप्टिकल घनत्व पर प्रभावी रूप से सुरंग इलेक्ट्रॉनों के लिए या यहां तक कि एक संभावित बाधा को दबाने के लिए (> 1016 डब्ल्यू / सेमी 2), एक केशिका या संपर्क के बिना गैस को दृढ़ता से आयनित करना संभव है। लक्ष्य। आम तौर पर एक कोलिनियर सेटिंग का उपयोग दालों को सिंक्रनाइज़ करने के लिए किया जाता है।
सामान्य तौर पर, इस तंत्र की संरचना यूरोपीय एक्स-रे मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर के समान है।
